Архитектура компьютера. - раздел Информатика, Основы информатики Определение. Компьютер [13]) (От Англ. Co...
Определение. Компьютер [13]) (от англ. computer— вычислитель) — это программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления.
Существует два основных класса компьютеров:
§ цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов;
§ аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (например, электрическое напряжение, ток и т.д.).
Примечание.
Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер".
Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций. Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.
Определение. Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.
Результат каждой команды вырабатывается по точно определенным для неё правилам. Совокупность всех команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд.
Разнообразие современных компьютеров очень велико, но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие основные устройства:
§ Память (запоминающее устройство, ЗУ).Функции памяти: приём информации из других устройств, её запоминание и выдача по запросу в другие устройства компьютера;
§ Процессор, включающий в себяустройство управления (УУ)иарифметико-логическое устройство (АЛУ).Функции процессора:обработка информации по заданной программе и программное управлениеработой всех устройств компьютера;
§ устройства ввода и вывода информации;
Все устройства компьютера соединены между собой каналами связи, по которым передается информация. На схеме (рис. 4.1) жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.
Рис. 4.1.Общая схема компьютера.
В составе процессора имеется ряд специализированных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения операнда или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.
Примечание.
Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
§ счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Служит для автоматической выборки команд программы из ячеек памяти;
§ регистр команд — регистр УУ, служащий для хранения команды в период ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.
В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом:
§ Принцип программного управления — из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически в определенной последовательности. Выборка команд программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд, который последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. Если же после выполнения очередной команды нужно перейти не к следующей по порядку, а к какой-то другой, то в программе используются команды условного или безусловного переходов, заносящие в счетчик команд номер требуемой ячейки памяти. Выборка команд из памяти прекращается после завершения работы программы или её временной остановки. Таким образом, процессор выполняет любую программу автоматически, без вмешательства человека
§ Принцип однородности памяти —Программы и данные хранятся в ячейках одной общей памяти, поэтому над ними можно выполнять одни и те же действия. Это открывает целый ряд возможностей. Например, некоторая программа в процессе своего выполнения может подвергаться переработке, что позволяет задавать в ней самой правила получения отдельных ее частей. Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы
Примечание.
На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык машинных кодов.
§ Принцип адресности —Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек и процессору в произвольный момент времени доступна любая из них. Существует возможность давать областям памяти имена, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен
Примечание.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, в которых, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.
В основу архитектуры современных компьютеров положен магистрально-модульный принцип, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему аппаратную конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между его устройствами.
Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адресаишину управления. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются данными на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов). Дадим краткую характеристику каждой из шин:
§ Шина данных.По этой шине данные передаются между различными устройствами в любом направлении. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а результат затем отправлен обратно в оперативную память для хранения. Разрядность шины данных определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться по ней одновременно, и для разных моделей компьютеров может составлять 8,16,32 и 64 бита.
§ Шина адреса.Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес, который передается по адресной шине, причем только в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).
Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:
N=2I,
где I— разрядность шины адреса (16,20,24,32,36 бит). Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти современного компьютера равно:
N= 236 = 68 719 476 736.
§ Шина управления.По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали между устройствами и осуществляющие его синхронизацию.
Псковский... государственный политехнический институт...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Архитектура компьютера.
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Издательство СПбГПУ
УДК 681.3 (075)
Рекомендовано к изданию
Научно-методическим советом
Псковского государственного политехнического института
Рецензенты:
- Ил
Часть. 1. Основы информатики
1. Информация и информационные процессы
Основные понятия:
информация, информационные процессы, информационное общество, и
Часть 2. Информационные технологии
7. Технологии обработки текстовой информации
Основные понятия:
текстовый редактор и процессор, Формат текстового файла, Т
Свойства информации.
К информации предъявляется ряд требований, т.е. любая информация должна обладать определенными свойствами:
§ Полнотаиликачество информации,
Методы обработки данных.
Для того, чтобы на основе полученных данных, то есть зарегистрированной информации, принять какое-нибудь решение, необходимо произвести с да
Структуры данных.
Работа с большими наборами данных автоматизируется проще, когда данные упорядочены, то есть образуют заданную структуру. Различают три основных вида структур: линейн
Информационные процессы.
Определение. Информационный процесс – это процесс восприятия, накопления, хранения, обработки и передачи информации.
§ Процессы восприятия, храненияи
Информационные основы процессов управления.
Чтобы говорить об процессах управления необходимо понять, что из себя представляет система управления.
Определение. Система – это упорядоченная совокупность разнородных эл
Аналоговая (непрерывная) и дискретная формы представления.
Информация — очень емкое понятие, в которое вмещается весь мир: все разнообразие вещей и явлений, вся история, все тома научных исследований, творения поэтов и прозаиков. И все это
Десятичная и двоичная формы представления.
Как уже отмечалось, дискретность— это случай, когда объект или явление имеет конечное (счетное) число разнообразий. Чтобы выделить конкрет
Экспоненциальная формы представления информации.
Для представления очень маленьких или очень больших чисел их стандартное позиционное представление становится нечитаемым и трудно употребимым для проведения вычислительных действий над такими числа
Системы счисления.
Определение. Системой счисления называется совокупность символов (цифр) и правил их использования для представления чисел.
Существует два вида систем счисления:
§
Системы счисления, используемые в компьютере.
Позиционный принцип используется и при записи двоичных чисел. В этом случае коэффициентами при степенях числа 2 будут двоичные цифры 0 и 1. Число 5279 в двоичной системе счисления
A Max(N)=2N–1
§ Целые числа со знаком — Добавление отрицательных значений приводит к появлению некоторых новых свойств. Ровно половина из всех 2N чисел теперь
Двоичное сложение.
Сложение двоичных чисел подобно сложению десятичных. В обоих случаях операции начинаются с обработки наименьших значащих цифр, расположенных в крайней справа позиции. Если результат сложения наимен
Двоичное вычитание.
Двоичное вычитание подобно десятичному вычитанию. Как и в случае сложения, различие выполнения вычитания в двоичной и десятичной форме состоит лишь в особенностях поразрядных операций.
Выч
Двоичное умножение.
Двоичное и десятичное умножение, так же, как двоичное и десятичное сложение или вычитание, во многом похожи. Умножение – это быстрый способ сложения нескольких одинаковых чисел. Умножение выполняет
Двоичное деление.
Деление — это операция, обратная умножению. Иначе говоря, при делении операцию вычитания повторяют до тех пор, пока уменьшаемое не станет меньше вычитаемого. Число этих повторений показывает, сколь
Двоичное вычитание с использованием дополнительных кодов.
При реализации двоичной арифметики в современных процессорных элементах ЭВМ необходимо учитывать, что возможности аппаратной «двоичной электроники» не позволяют непосредственно осуществлять операци
Логические выражения.
С помощью основного набора булевых операций можно построить более сложные логические высказывания.
Пример: Построим логическое выражение из простых логических опера
Логический элемент ИЛИ-НЕ.
Логический элемент ИЛИ-НЕреализует сложную двухступенчатую логическую операциюдля двух сигналов и обозначается на схеме сл
Построение сумматоров на логических элементах.
Наличие логических элементов, реализующих логические операции, позволяет реализовать простейшие операции двоичной арифметики, а именно операции сложения и вычитания (через сложение с использованием
Системный блок.
Основным аппаратным компонентом компьютера является системная или материнская (MotherBoard) плата. На системной плате реализована магистраль обм
Микропроцессоры ПК.
Определение. Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логическ
Оперативная память
Определение. Оперативная память (ОЗУ—оперативное запоминающее устройство, от англ. RAM—Random Access Memory—память с прои
Магнитные накопители.
Умагнитныхнакопителей принцип записи информации основан на явлении намагничивания ферромагнетиков магнитным полем, хранение информации связано с длительным сохранением этой намагн
Оптические накопители.
Оптическийпринцип записи и считывания информации основан на изменении угла отражения лазерного луча от поверхности оптическогодиска (поэтому оптич
Клавиатура.
Определение. Клавиатура— это устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополнительны
Манипуляторы.
Для ввода графической информации и для работы с графическим интерфейсом программ используются координатные устройства ввода информации: манипуляторы (мышь, трекбол и др.), джойстики, сен
Аудиоадаптер.
Определение. Аудиоадаптер (Sound Blasterилизвуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать про
Монитор.
Определение. Монитор — это универсальное устройство вывода информации, подключаемое к видеокарте (видеоадаптеру). Видеокарта непосредственно упра
Принтер.
Принтер предназначен для вывода на бумагу (создание «твердой копии») числовой, текстовой и графической информации. По пр
Прикладное ПО.
Прикладное программное обеспечение предназначено для разработки и выполнения конкретных задач (приложений) пользователя. Прикладное ПО работает под управлением
Файловая система и файловая структура.
Все программы и данные хранятся на устройствах внешней памяти компьютера в виде файлов.
Определение. Файл (file – папка) — это им
Правовая охрана программ и данных.
4.9.1.Лицензионные, условно бесплатные и бесплатные программы,
Программы по их юридическому статусу можно разделить на три большие группы: лицензионные, у
Моделирование как метод познания.
В своей деятельности, художественной, научной, практической человек часто создает некий заменитель той системы, процесса или явления, с которым ему приходиться иметь дело. Целью подобной замены явл
Понятие о технологии информационного моделирования.
Бурное развитие компьютерных технологий, расширение возможностей средств вычислительной техники, появление быстродействующих вычислительных систем, новых языков программирования с расширенными вычи
Алгоритм. Формальное исполнение алгоритмов.
Любая задача характеризуется известными величинами (исходными данными) и отношениями между ними, и величинами или отношениями, значения которых неизвестны и должны быть определены
Свойства алгоритмов.
Все алгоритмы обладают рядом свойств. Приведем основные свойства алгоритмов [21]):
§ Массовость алгоритмаопределяет возможност
Способы записи алгоритма.
Существуют три основных способа записи или представления алгоритма:Словесное описание, Описание на алгоритмическом языке, Структурная схема (графическая схема) [22])
Алгоритм 2.
алг
нач
если корень слова начинается со звонкой согласной
I то на конце приставки написать «з»
I иначе на конце приставки напи
Методы разработки алгоритмов.
Существуют два основных метода разработки алгоритмов — метод последовательной детализациии сборочный метод,
§ Метод последовательной детализаци
Средства создания программ.
Исходная программа является обычным текстом, поэтому для ее записи используются текстовые редакторы.
Чтобы получить работающую программу, надо этот текст либо автоматическ
Базовые элементы алгоритмических языков программирования.
Любой язык программирования характеризуется определенным набором конструктивных элементов. К таким базовым элементам, в частности, относятся: Алфавит и служебные слова, Структура программы,
Основные типы данных.
Данные могут быть простымиисложными. Типы данных подразделяются на простыеиструктурированныеилиструктуры
Подпрограммы.
Если группа одних и тех же действий повторяется в разных местах программы, то целесообразно их выделить в подпрограмму.
Определение. Подпрограмма— это часть программы, офо
Технологии программирования.
Определение. Технология программирования — это система методов, способов и приемов разработки и отладки программы.
В настоящее время нашли широкое применение следующие тех
Пособие для поступающих в вуз.
Под общей редакцией к.т.н., доцента В.С. Белова
Технический редактор В.С. Белов
Компьютерная верстка: авторский коллектив
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов